Software para el análisis de datos meteorológicos Resumen MISA. Elizabeth Magaña Villegas MIPA. Sergio Ramos Herrera LC. Jesús Manuel Carrera Velueta DR. José Roberto Hernández Barajas MC. Arturo Valdez Manzanilla En este trabajo se presentan los resultados preliminares del diseño y programación de un software para el procesamiento básico de variables meteorológicas. Simultáneamente, se presentan los resultados obtenidos de las pruebas de validación del software con datos registrados durante el año 2007 en la Estación Meteorológica de la División Académica de Ciencias Biológicas. Se constato un trabajo eficiente del software. Introducción La medición, registro y análisis de las variables meteorológicas: temperatura, velocidad y dirección del viento, humedad, radiación y estabilidad atmosférica principalmente; permite obtener información necesaria para comprender los procesos básicos de la atmósfera. El conocimiento de estos procesos constituye un elemento fundamental en estudios de la densidad de poblaciones de especies vegetales, cambios del clima y el calentamiento global, daño a las plantas y los animales por los contaminantes, como los óxidos de nitrógeno, producido por los automóviles y la industria, entre otros. Las variables meteorológicas también son útiles para el estudio de la contaminación del aire en exteriores pues influyen directamente en la dispersión de los contaminantes atmosféricos y afectan su producción en la atmósfera. Por ejemplo, la velocidad del viento determina la cantidad de dilución inicial que experimenta una pluma, mientras que su dirección establece el rumbo de los contaminantes. La temperatura y el diferencial vertical de la temperatura sirven para realizar cálculos sobre la elevación de la pluma y para determinar la estabilidad atmosférica [1] Semana de Divulgación y Video Científico 2008 243
Para el manejo e interpretación de los registros de estas variables existen programas de cómputo gratuitos como el WRPLOT View. Este software genera gráficas de rosa de vientos para varios formatos de datos meteorológicos y es posible generar también rosas de estabilidad atmosférica. Sin embargo no incorpora un módulo para el análisis estadístico de las variables meteorológicas y las tablas de salida no son fácilmente exportables. Procesadores de datos meteorológicos como el PCRAMMET distribuido por la EPA, prepara datos que se usan en los modelos de dispersión de calidad del aire a corto plazo. La base de datos de salida de este procesador contiene la estabilidad atmosférica horaria pero la interfaz no incorpora algún comando para obtener la tabla de distribución de frecuencias o la rosa de vientos correspondiente [2]. El presente trabajo presenta los avances de una interfaz construida con MATLAB para el análisis de datos meteorológicos que conjuga la obtención de rosas de vientos, estadísticos de temperatura, humedad, radiación y presión barométrica, y la estimación de la estabilidad atmosférica. Objetivos y metas Desarrollo de un software en MATLAB para el procesamiento de datos meteorológicos, con fines académicos y de investigación. Materiales y métodos 1) Diseño de las características del software. Se escogió el MATLAB 7.0 para el desarrollo de la interfaz debido a que es un programa que ofrece un entorno de desarrollo integrado que permite realizar cálculos numéricos con vectores y matrices, permite realizar gráficos en dos y tres dimensiones, tiene un lenguaje de programación propio, dispone de un código básico y de varias bibliotecas especializadas (toolboxes), se ejecuta en ambiente Windows y permite incorporar fácilmente una GUI (Interfaz gráfica de usuario) y la comunicación con programas en otros lenguajes, posibilitando al usuario para que desarrolle tareas interactivas [3,4]. El software permite importar datos de un archivo en un formato tipo texto previamente definido, a diez columnas separadas con tabuladores, con extensión.dat. El análisis consiste en la obtención de: gráficas de rosa de vientos para varios formatos, gráficas de variación temporal de la humedad, temperatura, radiación y presión barométrica, y cálculos de sus valores horarios y Semana de Divulgación y Video Científico 2008 244
estimación de la estabilidad atmosférica. Como datos de salida, el software permitirá exportar: tablas de frecuencias de vientos y valores máximos, mínimos y promedios de humedad, temperatura, radiación y presión barométrica que pueden ser importados por otras aplicaciones como es Excel, y las gráficas de rosas de vientos podrán ser exportadas en formato de imagen. 2) Desarrollo del algoritmo para el cálculo de la Rosa de Vientos. Para obtener la distribución de la frecuencia de los vientos, ya sea en forma tabular o gráfica, se inicia el procesamiento de datos contabilizando los vientos, de acuerdo con el Grado 1 de la Escala de Beaufort, que son considerados como vientos en calma. Los datos restantes son clasificados y contados primero, considerando la velocidad, Grados 2 a 6 en la escala de Beaufort, y segundo, la dirección de éstos de acuerdo con los 16 sectores de dirección. Con la información anterior, se obtienen las frecuencias relativas que se presentarán en una tabla de frecuencias de dos dimensiones o mediante una gráfica polar conocida como rosa de los vientos [5]. 3) Desarrollo del algoritmo para la estimación de la estabilidad atmosférica. La estabilidad de la atmósfera se estima durante el día con base en el criterio de la desviación estándar de la dirección del viento y durante la noche con el gradiente ambiental. El gradiente ambiental se calcula como la diferencia de temperatura horaria registrada por los dos sensores de la estación entre la diferencia de altura de los sensores. Este gradiente se comparará con el gradiente adiabático seco. 4) Integración de los algoritmos y la Interfaz Gráfica. Para la construcción de la interfaz del software se consideraron dos aspectos importantes:1) la presentación de las pantallas y 2) los elementos de interacción amigable con el usuario. Se utilizó el editor de interfaces graficas de usuarios (GUIDE) de MATLAB para el diseño de los elementos de la pantalla, como los menús, botones de comando, etiquetas, áreas de gráficos y la tabla de datos donde se despliegan los resultados de las estadísticas obtenidas. El GUIDE es un entorno de programación visual usado para realizar y ejecutar programas que necesiten ingreso continuo de datos. Una aplicación GUIDE genera dos archivos: archivo.m y archivo.fig. En el archivo.m se agregaron los algoritmos desarrollados de manera independiente para la construcción de la rosa de vientos, estimación de la estabilidad atmosférica, así como la construcción de gráficas del comportamiento de las variables meteorológicas. La interfaz del Semana de Divulgación y Video Científico 2008 245
software contendrá una barra con menús y comandos que permitirá su fácil manejo con el fin de que el aprendizaje sea eficiente. Resultados Diseño de las características del software: Se establece un diseño interactivo mediante una barra menú. Hasta el momento se cuenta con el menú archivo que permite seleccionar la base de datos de registros meteorológicos a analizar. La interfaz está en fase final de desarrollo, por lo que se le agregarán algunos elementos a la barra de comandos. Por otro lado, se cuenta con una barra de botones que permite seleccionar el tipo de gráfico deseado, gráficos de secuencia de los valores diarios de las variables y estadísticas básicas como el promedio, el máximo y el mínimo de todo el periodo (Figura 1). Figura 1. Interfaz para el análisis de datos Meteorológicos Desarrollo de programas de Cálculo:Se completó la programación de los módulos para la obtención de las rosas de vientos para varios formatos, gráficas de variación temporal de la humedad, temperatura, radiación y cálculos de valores estadísticos (Figura 1). En esta fase se compararon los programas de rosa de vientos realizando pruebas con datos meteorológicos de la estación meteorológica de la División Académica de Ciencias Biológicas registrados durante el 2007 (Figura 2) con el software WRPLOT View. Semana de Divulgación y Video Científico 2008 246
Cabe mencionar que los datos meteorológicos fueron depurados previamente para asegurar la confiabilidad del mismo. Figura 2. Gráficas de Rosa de vientos de la Estación DACBiol. 2007 De las gráficas observamos un 70% de vientos considerados en calma y que el viento predominante fue el del norte. Se completó la programación del módulo para la obtención de variaciones horarias de las variables meteorológicas: temperatura, humedad y radiación (Figura 3). De igual manera, se ejecutaron los programas realizando pruebas con datos meteorológicos del mes de julio de 2007 registrados en la estación meteorológica de la División Académica de Ciencias Biológicas. Figura 3. Variación horaria de Temperatura, Humedad y Radiación. Estación DACBIOL, Julio 2007 Para el mes de julio se observó una temperatura máxima de 34º C y una temperatura mínima de 26º C, una humedad relativa máxima de 81% y mínima de 43% y la radiación solar máxima fue de 337 W/m 2 y la mínima de 144 W/m 2. Semana de Divulgación y Video Científico 2008 247
Discusión Los resultados obtenidos de rosa de vientos con el software, fueron comparados con salidas obtenidas con el programa WRPLOT View y se observó una similitud del 100%. El módulo de estabilidad atmosférica y características de salida de los datos se encuentra en fase final de desarrollo. Conclusiones Aunque existen en el mercado programas para el procesamiento de datos meteorológicos, es común que éstos carezcan de elementos funcionales que permitan analizar los datos para generar cierto tipo de gráficos u obtener determinados estadísticos. Es indispensable desarrollar aplicaciones computacionales en nuestra institución para el procesamiento de datos meteorológicos que nos provean de herramientas para la consecución de nuestros proyectos de investigación y que impacten a la actividad docente. En un futuro, este programa podrá emplearse también como un módulo de procesamiento de información meteorológica necesario para la ejecución de otros programas, i.e. un programa de dispersión de contaminantes en la atmósfera. Finalmente, el programa estará disponible gratuitamente a estudiantes de nuestra institución. Referencias Bibliográficas Martínez AP, Romieu I (1997). Introducción al Monitoreo Atmosférico. Centro Panamericano de Ecología Humana y Salud.211p. Environmental Protection Agency (2000) Guía del usuario PCRAMMET.Office of air quality planning and standards emissions, monitoring, and analysis division research triangle park. 73 pp Barragán GD (2007). Manual de Interfaz Gráfica de Usuario en Matlab. Republica del Ecuador. García J, Rodríguez J, Vidal J (2005). Aprenda Matlab 7.0, Escuela Tecnica Superior de Ingenieros Industriales. Universidad Politecnica de Madrid Danish Wind Industry Association. La Rosa de los Vientos. Citado en el recurso electrónico de http://www.windpower.org/es/tour/wres/rose.htm, septiembre de 2008. Semana de Divulgación y Video Científico 2008 248